у большинства интегральных транзисторов fmai больше fx и обычно выполняется соотношением fx : fmax«; 1 : 2,5.

Параметр /т зависит от тока /к. Характер этой зависимости показан на pnt. 2ЛЗ. Уменьшение fr при малых токах происходит из-за влияния емкости СэДбар (уменьшения коэффициента инжекции эмиттера), а при больших токах - из-sa эффектов вытеснения эмиттерного тока и модуляции проводимости в области базы. Однако, как видно из рис. 2,13, при типовых значениях тока коллектора 0,1-.10 мА /т«;соп51.

аботая в ключевом режиме, транзистор может перейти в насы щен1ый режим, характери-

0 hi

зуелйэШ накоплением избыточного заряда в базе; когда транзистор закрывается, из-быто1ный заряд в базе рассасывается, что является причиной задержки выключения транзистора. Поскольку длительности процессов накопления и рассасывания заряда в базе транзистора определяются не только его параметрами, а в большей степени и параметрами внешних компонентов цепей базы и коллектора, целесообразно рассмотреть эти процессы при анализе конкретной схемы транзисторного ключа.

Рис. 2.14. Переходные процессы в транзисторном ключе

§ 2.4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТРАНЗИСТОРА ПРИ АНАЛИЗЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ТРАНЗИСТОРНОМ КЛЮЧЕ

Для транзисторных логических элементов важное значение имеют переключения элементов из закрытого состояния в открытое и обратно. Основу большинства интегральных логических схем составляет простой транзисторный ключ (см. § 2.2), анализ переходных процессов в котором позволит в дальнейшем объяснить характер переходных процессов в более сложных схемах цифровых элементов и предъявить требования к динамическим параметрам транзистора.

Основные этапы переходных процессов в схеме транзисторного ключа рассмотрим при идеализированной форме входного сигнала (рис. 2.14). Пусть на вход ключа с закрытым транзистором в момент времени ti подается включающий ток с амплитудой /бь а в момент времени 4 - выключающий ток с амплитудой 12-

Впереходном процессе для выходного напряжения ключа можно выделить пять характерных этапов (рис. 2.14): задержка включения транзистора /зд. вкл, время спада выходного напряжения Р°

при включении транзистора, накопление избыточного заряда, задержка выключения транзистора 4д.выкл и время нарастания выходного напряжения t° при выключении транзистора. /

Пример 2.9. Рассмотрим последовательно эти этапы для реальной схемы лю-ча, статические параметры которого проанал;«ированы выше, а динамически параметры имеют следующие числовые значения: модуль коэффициента передачи тока при /э =5 мА,э Ук = 10 В, f=2-W Гц не менее 6; постоянная врёмели цепи обратной связи при /э =5 мА, t/k = 10 В, f=5-.10 Гц не более 5Q0 пс; емкость коллектора при f/jjg=10 В, /==10 Гц не более 5 пФ; емкость эмцттера при 53=1 В, f=10 Гц не более 20 пФ, время рассасывания, onpeAejjneMoe на уровне 0,1 при /j=10 мА, /j,j=/g2=2 мА не более 130 не; емкость

нагрузки Cii = 200 пФ.

Все параметры приводятся на основании справочных данных. Знаки напря-женпй и 1ч;ков будут оговорены в далыюИшсм по мере использования для численных расчетов.

Предположим, что транзисторный ключ построен из дискретных компонентов, а особенности анализа переходных процессов в ключе, выполненном в виде интегральной полупроводниковой схемы, будут оговорены в процессе рассмотрения. Анализ переходных процессов проводится для эквивалентной схемы на рис. 2.8, б, в котором сопротивлением гк пренебрегаем.

Считаем, что транзистор в статическом состоянии закрыт напряжением источника £г 1=0,2 В при 7?г =0 и открыт напряжение.уг Егг-2,5 В при Rt - = 3,9 кОм.

Задержка включения транзистора. Несмотря на то что закрытое состояние транзистора соответствует его активному режиму при малых токах, при отпирании транзистора включающим током базы наблюдается задержка включения. Последнее объясняется тем, что эффективная инжекция неосновных носителей из эмиттера в базу начинается не мгновенно, а после достижения такого напряжения на переходе база - эмиттер, которое приводит к существенному изменению тока коллектора транзистора. Это напряжение называют порогом запирания транзистора [/бэ.пор. На этом этапе, пока напряжение на базе транзистора не будет равно порогу запирания транзистора, в базе практически не накапливается заряд неосновных носителей, а ток эмиттера носит емкостный характер.

Таким образом, напряжение на переходе база - эмиттер, меиь шее порога запирания транзистора, можно рассматривать как обратное смещение, поскольку ток, эмиттируемый через переход при таком смещении, чрезвычайно мал (порядка 1 мкА при комнатной температуре при [/бэ = 0,5 В для кремниевых транзисторов).

В настоящее время порог запирания транзистора определяют по-разному: в [4] под ним подразумевается напряжение на базоэмиттерном переходе, соответствующее максимально допустимому току коллектора, при котором в рассматриваемой схеме транзистор еще может считаться закрытым, /к = (0,01-Н -НО.ОЗ) /к. нас (там же отмечается, что если принять /к =0,1 /к. нас, то к задержке включения добавляется часть фронта /"); в [1] под Усэ. пор понимается напряжение JJts, получаемое как точка пересечения оси £/вэ с касательной, проведенной через точку входной характеристики транзистора, определяемую координатами t/бэ.нас, /внес- ТоГДа £/бэ. пор« 6э. нас ""Фт. /к« 0,37/ „,5.

Такое определение Uss. пор менее удачно, чем в [4],

\ в дальнейшем будем подразумевать под {/бэлор такое напряженке f/бэ, при котором /к=0,03 /к. нас, так как в этом случае задержке включения не содержит никакой части фронта г*-".

; Порог запирания транзистора [/бэ.пор зависит от температуры, изменяясь с крутизной, равной -2 мВ/°С. Будем рассматривать переходные процессы в нормальных условиях. Полная расчетная схема на этапе задержки включения представлена на рис. 2.15, а, где Сэ.бар и Ск.бар - усредненные барьерные емкости эмиттерного и

Rr Rb Б

Сэ.1ар 3

к.бар

RrRs

Рис. 2.15. Расчетные схемы транзисторного ключа на этапе задержки включения:

а - полная; б - эквивалентная

коллекторного переходов. Так как в большинстве реальных схем выполняются соотношения /?г+б+б>-?экв и Ск.бар<:.Си, то схему на рис. 2.15, а можно упростить, представив ее в виде схемы, показанной на рис. 2.15, б, где СБэкв=Сэ.бар+Ск.бар. Определим числовые значения Сэ.бар и Ск.бар. Поскольку на рассматриваемом этапе f/кб изменяется от значения [/кб1 = -(£экб-£ri)=-3,45 В до значения [7кб2 = - (f/выхв-f/бэв) ~-2,95 В, так как [/бэ.пор= f/бэв и С*к.бар=5 пФ, L*k6=-10 В, определим по (2.107) Ск.бар=7 пФ.

Напряжение на переходе база-эмиттер меняется от /:г,-0,2 В до f/63B = 0,543 В (см. рис. 2.9, б), поэтому Сэ.бар определим по (2.107), учитывая, что С*э.бар=20 пФ, и*бэ=-1 В, иш = 0,2 В, /бэ2 = 0,543 В. Получим Сэ.бар=34 пФ. Тогда Сб.экв=Сэ.бар+Ск.бар= = 41 пф.

Напряжение Una в схеме на рис. 2.15, б изменяется во времени по экспоненте:

«бэ

(0=6s (0)+[f/бз (<х>) - (0)] [ 1 ехр (-i )] . (2.122)

где [/бэ(0)=£п = 0,2 В, [/бэ(оо)=£р2=2,5 В, Т= {Rr+Rs+r) X ХСб-экв = 574 нс

Подставляя Ыбэ(0 = бэ.пор=бэв=0,543 В из (2.122), найдем зд.Екл = 92 не.